详解volatile关键字和原子引用

2024-10-09 17:09:21

本篇看一下Volatile关键字和原子引用。

上图就是JUC包结构，总共分成三块

（1）java.util.concurrent：并发包基础类，包括阻塞队列，线程池相关类，线程安全Map等。

（2）java.util.concurrent.atomic：原子引用相关类

（3）java.util.concurrent.locks：线程锁相关类

线程池技术在之前的讲解应该很清楚了，今天主要解析一个volatile关键字以及原子引用的相关类。这一篇文件涉及到JMM（java内存模型）的知识，之前也有讲解。

一、volatile

这个关键字，是JVM提供的轻量级的同步机制。可能在业务功能开发中很少涉及，但其是JUC包里面拥有重要地位的大哥。

首先看下理论：

（1）保证变量内存可见性：就是当前线程对某个volatile修饰的变量进行操作的话会及时通知到其它线程。比如现在的在线编辑文档，当某个人编辑了文档并保存之后，其他人会立马收到文档已被修改的通知。

（2）不保证原子性：原子性的意思就是某个元素已经是最小的了，不可在被分割，比如现实中原子就是最小的粒子了，不可能再被分割。而映射到这边就是说某个操作不可在被分割成两个或多个操作，要么成功，要么失败。

（3）禁止指令重排：JVM为了获取最快的运行速度，会在底层一些没有先后性要求的指令进行一些指令重排的操作，在代码层面是一步一步执行，但在底层执行的时候并不是如此。比如JVM创建了一个对象有三步，创建实例对象、分配空间、将引用指向内存空间，但是第一步和第二步并没有什么关系，这个时候就可能会发生指令重排的操作。

代码示例：

（1）可见性代码验证：

当资源类变量a未加volatile关键字修饰的时候

当添加了volatile关键字修饰后：

（2）不保证原子性验证：

如果保证原子性，那么最后输出的结果应该是20000，而真实输出是19734，所以这可以证明其不保证原子性。

JVM为了提供了可保证原子性的原子类。

二、原子类

下图就是原子类的结构图

先用AtomicInteger类是否可以保证原子性。不多说，上图片。

可以看到，用原子类AtomicInteger类是可以获取期望值的，也就是保证了原子性。

接下来看一下原子类底层是怎么样的。

上图可以看到，有三个变量，分别是value，valueOffset，unsafe。

（1）value：是volatile关键字修饰的，也就是说原子类底层也是volatile变量。

（2）valueOffset：当前变量的内存位移值。

（3）unsafe：下图可以看到，unsafe类里面都是native修饰的本地方法，是直接调用其他语言进行操作变量的。

看一下原子类的addAndGet方法为什么能实现原子性呢？

点进去会看到它调用了unsafe的getAndAddInt方法。

继续点下去会看到如下方法，里面有个compareAndSwap。

介绍一个compareAndSwap方法，简称CAS（比较并交换），其有三个值，内存值V，旧的预估值A，更新值B。只有当V和A相等的时候，才会将变量的的值修改为B，否则什么都不干。

可以看到，上述的getAndAddInt方法是个自旋锁的实现，一直调用getIntVolatile（也是本地方法）方法获取对象的最新值，获取之后就会调用CAS方法。

CAS：原称为Compare-And-Swap，比较并交换，是一条cpu的并发原语，它的功能是判断内存某个位置的值是否为预期值，如果是则更改为预期值，这个过程是原子的。

并发原语体现在调用unsafe的方法。原语是属于操作系统的范畴，原语的执行必须是联系的，也就是原子性，不会造成所谓的数据不一致的问题。（这个我也不是很懂，毕竟我不是科班出身的程序员，应该是要学操作系统才会明白）

（如果大厂面试的时候让你手写一个自旋锁，就把上述代码糊他脸上）

上述就是其保证原子性的方法，利用自旋锁和unsafe类。

说完原子类的底层，进行拓展一下：上述可以看到，原子类java只提供了基本类型的封装，例如AtomicInteger，AtomicLong等，但是工作中需要很多其他自定义的实体，也要保证原子性，该怎么办呢？

别慌，JVM还提供了原子引用类型AtomicReference，下图可见此类是一个泛型类。

下次会带大家看一下CAS导致的ABA问题。

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